很冷很冷的超導

文/圖 大可

很冷很冷的超導

文/圖 大可

今年1月9日，在北京人民大會堂舉行了2016年度國家科學技術獎勵大會，宣布五項獎項的獲獎名單。五項獎項是：

國家最高科學技術獎；

國家自然科學獎；

國家技術發明獎；

國家科技進步獎；

國際科技合作獎。

其中國家最高科學技術獎，每年評審一次，每次授予不超過兩名科技成就卓著、社會貢獻巨大的個人。

這次的獲獎人是趙忠賢和屠呦呦。

獲獎有多難

排在第一位的國家最高科學技術獎，是五個國家科學技術獎中最高等級的獎項，所以是很難獲得的。很多時候居然會空缺，比如2004年、2015年；有的一年只評選出一位。

屠呦呦獲得了2015年諾貝爾生理學或醫學獎，獲獎的青蒿素治療瘧疾也很好懂，所以大家對屠奶奶比較熟悉。

趙忠賢在獲得國家最高科學技術獎之前，還獲得過國家自然科學獎的一等獎。

國家自然科學獎，是中國自然科學領域的最高獎項，雖然排在國家最高科學技術獎后面，一等獎也不是那么好獲得的，曾經獲獎的有數學家華羅庚，數學家吳文俊和空氣動力學家、“中國航天之父”錢學森，研究哥德巴赫猜想的陳景潤，中國地質力學的創立者李四光等等，而且有十多次是空缺的。

此外，趙忠賢曾獲得馬蒂亞斯獎，對這個獎，大家覺得不如諾貝爾獎那么耳熟能詳——這個獎只跟超導有關呀！而趙爺爺所研究的超導，似乎很難懂呢！

絕緣體、半導體、導體、超導體

有一位書法家，是用嘴銜著毛筆寫字的，因為他兩只胳膊肘的下方已經齊齊斷掉。

原來，他小時候和幾個同學一起放風箏，風箏突然掛到了一條高壓電線上，他爬上電線桿，就在伸手去拿風箏的一瞬間，只覺得雙臂發麻，隨即兩只胳臂冒出一股焦糊味的青煙，然后就不省人事了。在醫院醒來后，他震驚地發現：兩只手臂沒有了！

好在他沒有消沉下去，不僅刻苦練習用嘴寫字，還到很多學校用自己的親身經歷，告誡同學們遠離“電老虎”。

下面是書法家說的一些用電安全知識（除了下面提到的，他還說了好幾點，只不過與我們的主題關系不大，你可以自己去查找這方面的知識）：

看到裸露的電線或是電器開關冒出火花時，不可用手碰觸。

看到有人觸電，要立即關閉電源總開關。如果沒有大人幫忙，趕快尋找干燥的木板或木棍等絕緣體，將觸電的人與電源隔離，不能直接用手把人拉開，以免自己也觸電。

注意到他說的一個詞匯嗎？“絕緣體”——以免你觸電的物體，也就是說，是不會導電的物體。

除了干燥的木板或木棍外，絕緣體還有干燥的紙、橡膠、玻璃、陶瓷等。

注意他強調的以免觸電的常識：不可用手碰觸裸露的電線、冒出火花的電器開關，不能直接用手拉觸電的人。為什么？因為人是電的“導體”。

金屬、石墨、酸、堿、鹽水溶液等也是導體。所以，潮濕的手或身體其他部位，去碰觸沒有異常的插頭、電器開關，也很危險！因為雖然“純”水（注意，不是我們喝的“純凈水”）不導電，但手或身體其他部位有汗液等“雜質”，沾到水后，這樣的水就有了導電性能。包括我們喝的“純凈水”，里面也有雜質，雖然它們對身體無礙。

你知道為什么要強調“干燥”了吧？因為一旦沾了水，它們的“性格”就會起變化！

請記住：人是電的“導體”！你即使把自己“曬干”了，還是導體！導臨界溫度。

水——導體

當然，電阻為零的材料不是人們一下子就發覺的。

人發現了電。因為電，我們有了電燈、空調、計算機；也被電欺負得喪失過無數生命、損傷過無數肢體，就如那位書法家。

不過，人不會被嚇退，而是千方百計要了解它、掌握它。于是，發現了絕緣體，知道了哪些是導體、半導體……

越是了解，越希望它能幫助人實現更多的夢想，比如，電流如果能不受阻礙地跑，那該多好！

半導體收音機聽到過吧，那么，什么是半導體？

當電流威脅我們的時候，我們需要絕緣體來阻礙電流通過；當我們需要電流通過的時候，我們希望電阻越小越好。

電阻的意思，就是阻礙電流。

半導體就是電阻比導體大得多，但又比絕緣體小得多的材料。

有時我們不僅需要電流跑，還要跑得很歡快——你可以撥開“超導”的神秘面紗了：超導就是超級導電，它的電阻為零。

某些材料在一定溫度條件下，電阻會變為零，這一溫度稱為超導轉變溫度，也叫超

高溫與低溫的魔力

在說到導體、半導體材料的時候，往往會加上“常溫”這個定義。

我們很熟悉攝氏度，符號是“°C”，比如37攝氏度，寫成37℃，零下5攝氏度，寫成-5℃。還有一種叫華氏度，符號是“°F”，零華氏度約等于-17.78℃。

1848年，英國科學家開爾文建立了絕對溫標，它的單位就叫開爾文，符號是“K”。它的零度相當于-273.15℃，被稱為絕對零度。

常溫也叫一般溫度或者室溫,一般是指25℃、298.15K。

但是，常溫又不是“死規定”，比如，我國很多工程是按20℃設計的，因為這是一般春秋天的溫度。

許多材料的“性格”，除了隨干燥、潮濕會起變化外，在不同溫度里也會有變化。比如，燒紅的玻璃也會導電！

我們用手摸摸，嗯，這個材料很燙、那個材料冰涼，為什么會這樣？原來，是構成材料的最小單位——分子或原子的運動速度在“變魔術”?。‘斘覀兏械揭粋€物體比較熱的時候,就意味著它的分子或原子在快速運動；當我們感到一個物體比較冷的時候,則意味著分子或原子運動速度較慢。

分子、原子都是構成物質的基本細小的顆粒，也叫基本微粒。比如人類生存離不開的氧氣、水，就是無數眼睛也看不見的氧分子、水分子構成的；鐵、碳是鐵原子、碳原子構成的。

速度變化，還能引起物質內部的變化。比如，運動加快，互相“撞來撞去”的次數增多，阻礙自然就強了；但同時，也使一種叫“自由電子”的家伙增加，而自由電子越多，更容易導電，也就是阻礙減小。這時就要看哪方更有“氣勢”，有“氣勢”的一方決定了絕緣或導體的能力。

超導的用處

科學家發現，在4.2K，也就是-268.95℃時，有的材料電阻完全消失，哇，超導啊！

而且，材料不僅有了超導性質，還有了抗磁性！

科學家做過一個實驗：在一個淺平的錫盤中，放入一個小磁鐵，然后把溫度降低，使錫盤出現超導性，這時，小磁鐵離開錫盤，慢慢地飄起，懸浮不動。

你想到了什么？對，磁懸浮列車！從上海浦東龍陽路站到浦東國際機場就可以乘坐磁懸浮列車。

因為超導體抗磁，如果有一個磁場（如錫盤那樣），在電流毫無障礙地通過超導體的同時，超導體會產生排斥的力量，這個力量就使得列車懸浮起來。

也許你還聽到過低溫超導和高溫超導。

研究這些超導材料是為了發掘超導材料更多的特性，來為這個資源越用越少的地球服務。

雖然都是超導，高溫與低溫下表現出來的性能是不一樣的，要“馴服”它們為人類服務，需解決很多復雜的問題。比如，一開始，鐵在超導上表現不好，但是趙爺爺創造了大塊鐵基超導體55K最高臨界溫度紀錄，讓它在超導世界靚麗登場。

隨著不同臨界溫度的超導材料被研究出來，除了超導列車，可能還會有超導船、利用超導材料輸電等等來為人類服務呢！